让计算机自动设计复杂产品,一文洞见创成式设计的最新发展

根据3D科学谷的市场观察,市场上通常把拓扑优化(Topology Optimization)与创成式设计(Generative Design)很多场合二者都是混为一谈的,但细究起来创成式设计(Generative Design)是根据一些起始参数通过迭代并调整来找到一个(优化)模型。拓扑优化(Topology Optimization)是对给定的模型进行分析,常见的是根据边界条件进行有限元分析,然后对模型变形或删减来进行优化。

创成式设计(Generative Design)是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图,通过”创成式”系统,生成潜在的可行性设计方案的几何模型,然后进行综合对比,筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

通俗理解创成式设计是一种通过设计软件中的算法自动生成艺术品、建筑模型、产品模型的设计方法。创成式设计是一种参数化建模方式,在设计的过程中,当设计师输入产品参数之后,算法将自动进行调整判断,直到获得最优化的设计。

本期,3D科学谷与谷友来共同领略创成式设计软件的快速发展。

Video Cover_Creative通过创成式设计释放3D打印潜力© 欧特克

来自大自然的灵感

乔布斯(Steve Jobs) 曾经说过,21世纪最好的创新是将生物学与技术相交叉。

在设计航空航天或汽车部件时,此前人类可能从未想过向蚂蚁和寻光植物细胞寻求建议,但如果使用创成式设计软件来塑造零件的设计,不过这一切已经不是梦想,实际上已经在做了。

Airbus_Autodesk通过创成式设计的空客仿生学隔离结构© 欧特克

此前,空客已投产的仿生学机舱隔离结构就来源于创成式设计结果。该结构是采用高强度轻质铝合金材料与粉末床激光熔化3D打印技术制造的,用于空客A320机舱中,起到分隔客舱与后部食品准备区的作用。

Valley_Software© 3D科学谷-创成式设计软件及平台

工业制造领域中有很多零部件或机械的设计都是从生物学中得到的灵感,比如说潜艇的设计是从海豚体形或皮肤结构中得到的灵感….这样的例子在工业领域还有很多很多。

那么,为什么我们需要将生物学的概念引入制造中呢?大自然创造的生物结构巧妙而复杂,人们如何将这些大自然的作品“复制”到工业制造中呢?日益发展的智能化设计软件与3D打印技术为我们提供了一条创造仿生结构的捷径。

大自然的很多材料具有很强的适应性,而人造材料则不然。钢始终致密;陶瓷易碎,塑料有弹性。由这些制成的零件在整个过程中都表现出源材料的属性。另一方面,大自然中的很多物体出于多种目的在不同区域表现出适应性密度、弹性和脆性(例如肌肉、静脉和骨骼的组合)。

这驱动着设计者探索如何将大自然的材料在弹性、密度和脆性方面不断变化的能力引入到产品的设计中来。而这将使得未来,人们对具有微观转变的材料产生浓厚兴趣。

创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的思想灵感,创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。3D打印技术由于可以将复杂的设计转化为现实,注定已成为创成式设计的“好伙伴”。

block Autodesk 的 Fusion 360

来自 Autodesk 的 Fusion 360:Fusion 360 为用户提供了一套强大的建模工具,包括草图绘制、直接建模、曲面建模、参数化建模、网格建模、渲染等等。其创成式设计功能使用户能够识别设计要求、约束、材料和制造选项,以生成可制造的设计,同时使用户能够利用机器学习和人工智能的力量,根据视觉相似性审查云生成的设计结果、绘图和过滤器。

Video Cover_Autodesk Fusion_Ant © 欧特克

在 Autodesk Fusion 360 的案例中,创成式设计的想法受到仿生学中自下而上的方法的启发。令人着迷的是,有一个算法来自“白蚁巢穴,以及白蚁使用信息素相互发送信号的方式,开发人员创造了压力或信息素梯度,核心方法非常简单,但结果却很复杂。

Autodesk_ant© 欧特克

有了这种受自然启发的逻辑作为其创成算法的核心,创成设计程序必然会不时创成有机形状,以不对称和复杂的表面为标志。但目前的制造方法无法与大自然所创造的奇迹相媲美,这使得创成式设计软件本身还有着很多进化的空间。

Video Cover_Autodesk Fusion 360 _Car欧特克Fusion360创成式设计车架© 欧特克

video cover_Autodesk_fusion36欧特克Fusion360提供一站式比较创成式设计通过3D打印制造与通过铸造的经济性 © 欧特克

譬如大自然中的人体,人体是单一的组件来促进流体流动和交互结果,而这在航空航天领域也有类似的活动。那么未来或许创成式设计还可以进化到如何结合流体流动和结构功能,虽然这在创成式设计中目前还不是主流。

根据3D科学谷的了解,欧特克的开发团队已经在研究框架创成系统,这些系统可能在未来用于商业发布。

block 西门子的 NX

西门子的 NX:除了创成式设计之外,NX 提供的主要功能是数字孪生技术,它为用户提供灵活、强大和集成的解决方案,帮助他们简化更好产品的设计和交付。NX 结合了设计互操作性、验证、基于模型的定义等,以帮助用户以更快的速度和更低的成本推动产品的研发,同时提高产品质量。

西门子NX软件在产品设计优化阶段的应用,包括创成式设计、拓扑优化、轻量化、进行FEA/CFD 仿真等。

Part_Siemens NX© 西门子

西门子提出了”提供集成的端到端单一系统,实现增材制造工业化应用” 的愿景,面向产品开发和生产提供端到端集成软件系统,助力生产制造企业实现增材制造零件生产。西门子NX 软件的增材制造功能通过无缝集成促进了从设计模型和打印零件的整个过程,无需在应用之间转换零件,也无需对零件重新建模。制造企业中的多个生产团队能够用一个综合性系统并行处理同一个零件。

在此过程中,用一个智能模型就能驱动整个过程,消除不同应用程序之间的数据转换,从而实现无缝的“设计到 3D 打印”工作流程。对于航空航天与国防领域的制造商来说,西门子NX 端到端增材制造软件,尤为有意义的是,由于消除了数据在多步骤之间的转换,转换中可能出现的错误也得到避免,提高3D打印零件的可追溯性。

block PTC 的 Creo Generative Design创成式设计

PTC 的 Creo Generative Design创成式设计:利用云,该软件使用户能够创建优化的设计概念,同时快速探索和测试大量设计迭代。它根据用户设置的设计参数突出显示最符合用户目标的迭代。在 Creo 设计环境中,该软件很短的时间内生成高质量、低成本和可制造的设计。

Video Cover_PTC© PTC

根据3D科学谷的市场观察,早在2018年,PTC就收购了创成式设计软件公司Frustum Inc.,收购价格约7,000万美元。Frustum的拓扑优化设计技术是对PTC Creo产品组合的变革性补充。

PTC_Frustum© PTC

借助Frustum和ANSYS的嵌入式功能,Creo将能够使用创成式设计推荐设计方法,利用ANSYS Discovery Live引导用户完成迭代设计过程,并最终使用更广泛的ANSYS Discovery套件大规模验证完整的产品设计。在将这些功能嵌入Creo后,工程师将能够以前所未有的能力快速推动产品创新。

block 海克斯康MSC 软件的 MSC Apex 创成式设计

MSC 软件的 MSC Apex 创成式设计:向用户承诺提供端到端的解决方案,可以快速地制造高精度金属部件,并且人工干预更少。MSC Software 报告称,用户的初始设计和设置时间减少了 80%。一目了然,该软件在一个过程中结合了简单性、自动化设计、导入和验证以及直接输出。

根据3D科学谷的了解,MSC Apex Generative Design是基于全球最直观的CAE环境MSC Apex建立的全自动创成式设计解决方案。它有效利用MSC Apex的所有易于使用和易于学习的特点,同时在后台采用了最创新的生成设计引擎。该软件提供了一种新的创新设计优化方法,该方法克服了传统拓扑优化技术的局限性,并大大减少了设计优化工作流程中的工作量。

Hexagon_MSC© 海克斯康

MSC Apex创成式设计的核心是海克斯康的“创成设计引擎”。它基于有限元分析,但是与传统方法不同,它不使用密度场,而是使用具有明确定义的非常精细的网格单元。这使算法可以直接评估发生的应力,并可靠地推导出人类大脑无法想象到的独特几何形状。

Video Cover_Hexagon© 海克斯康

每种制造技术都需要设计规则来避免制造零件的质量问题。这对于能否实现第一次打印即可成功的增材制造尤为重要。与大多数常见的优化解决方案相比,MSC Apex创成式设计已将这些功能完全集成在一起,并将其功能性地应用于优化。

MSC Apex创成式设计是专门为只有增材过程才能制造的详细而高度复杂的结构而设计的。优化设计的高分辨率可确保将结果直接发送至打印机。但是,如果需要进一步的制造和设计验证,则MSC Apex Generative Design可与Simufact Additive,Digimat AM和MSC Nastran互相操作。

block nTopology 的 nTop 平台

nTopology 的 nTop 平台:nTop 平台软件承诺用户可以完全控制优化过程及其输出的各个方面。利用先进的生成工具,用户可以创建定制的、可重用的工作流,以满足应用程序的独特要求。该程序的特色功能包括牢不可破的建模和网格操作、拓扑优化、可重复使用的设计工作流、场驱动设计和机械热有限元分析模拟。

nTopology_nTop© nTopology

而在3D科学谷看来,在所有创造价值的源头,在所有可能颠覆的源头,算法无疑是最重要的部分之一。nTop 基于隐式建模,这种实现3D 形状的方式比 传统CAD 文件快数千倍,文件更小,而且复杂性不会破坏系统,nTopology 使用户可以完全控制创成工作流、优化过程及其输出的各个方面。创建可重用的工作流,以满足用户的应用程序的独特要求。

根据3D科学谷的市场观察,nTop平台是开放性的,可以与其他软件工具连接。可以与其他计算机辅助设计(CAD),有限元分析(FEA),计算流体动力学(CFD)及其他软件工具直接集成,并实现极快的处理速度。

nTop平台还可以从其他软件中获取设计或数据,并将其用于设计改进或迭代。用户可以轻松地将他们现有的设计或数据导入nTop平台,可以非常快速地执行多物理场分析,并评估性能,稳健性和使用寿命等特性,进一步实现设计优化。

nTop平台还支持通过工业4.0计划以提高数据驱动制造效率的努力。平台的工作流程软件功能可实现流程自动化,消除低价值的手工工作,这些特点还有助于实现数据的无缝传输。

自1970年代首次开发b-reps系统以来,计算机硬件领域已经发生了巨大的变化。电脑现在配有多个CPU和以及强大的GPU,处理数据的能力大大增强。但由于B-reps算法包含很多特例性的分支,导致其并不适合在GPU上实现。而nTop则可以同时运用这两者,随着游戏行业的蓬勃发展,GPU的性能也得到了迅速发展,可以预见nTop和隐式建模的前景是非常广阔的。

block ELISE

ELISE是一家德国的初创公司,成立于2018年,ELISE开发了一个开放平台,使用户可以使用创成式工程技术加快从设计到制造的过程,该过程可以捕获并重复使用公司所谓的产品技术DNA。

根据3D科学谷的市场观察,ELISE产品技术DNA定义了满足一系列边界条件(例如设计约束,材料成本,生产要求和实际性能)的所有可能的产品变量。使用该平台的集成设计,分析和优化工具,可以根据成本和性能等目标自动评估可行的产品设计,以实现理想的组件设计。

2021年,ELISE与西门子的合作,ELISE集成了Parasolid®算法库(西门子的几何建模内核),以提供自己的模型设计和编辑功能。

作为Xcelerator™产品组合的一部分,Parasolid是西门子数字工业软件公司提供的全面和集成的软件和服务产品组合,西门子的parasolid是一款全球领先的3D实体建模组件软件,是Siemens PLM的NX和Solid Edge产品的基础。此外,Parasolid还已根据公平竞争的原则许可给许多全球领先的独立软件供应商(isv)。这些isv在产品设计和分析市场中开发了数百个基于Parasolid的应用程序。

Parasolid为ELISE用户提供了与领先的基于Parasolid的设计应用程序相同的高质量3D几何建模功能。

block Desktop Metal 的 Live Parts

Live Parts 是 Desktop Metal 专注于增材制造的创成式设计软件,Live Parts 背后的一种算法是受到树木的启发——不是真正的树木,而是由类似体素的细胞构成的数字树。Desktop Metal 的Live Parts 在 NVIDIA GPU 加速的虚拟机上的云端运行,为任何具有互联网连接的设备提供实时创成式设计。

Live Parts 软件开发人员研究了植物细胞如何对外部刺激做出反应,比如来自光的化学物质。让部件中的细胞对压力和应变做出反应,然后产生额外的细胞,称为子细胞,建模过程就像自然界的细胞生长,从一个细胞开始,将它培育成一个胚胎,胚胎生长成一个有机体,随着它不断增长,它将实时适应环境。Live Parts是由一个加速的、多物理引擎驱动。这给Live Parts提供了模拟过渡动力力量的独特能力,比如高频振动和低频振荡,以及自动生成的零部件设计。这些零部件的设计能够实时地生长和适应这些变化的力量,就像真实世界的生物在不断变化的环境中成长一样。其结果是,这些部件的压力都非常均匀,材料效率高,强度高,重量轻。

Desktop metall_Live parts© Desktop Metal

Live Parts的部件是由自然激发算法驱动,这些算法会导致零件自动增加和适应,并且基于它们的功能和环境进行调整。它由一个图形处理器加速的多物理引擎驱动,Live Parts在几分钟内从单个构造中变大,并自动产生设计文件。这使用户能够迅速认识到人工智能制造的全部潜力,包括材料和成本效率。

与其他软件公司不同,Desktop Metal是来自麻省理工团队创业的3D打印硬件与材料企业。

Desktop Metal 一直专注于基于金属的 3D 打印,但今年年初,Desktop Metal 发生了巨大的变化。该公司以 3 亿美元的现金和股票交易完成了对 EnvisionTEC 的收购,EnvisionTEC 提供光敏树脂、陶瓷和其他材料的 3D 打印机。

业界一直好奇Desktop Metal 为什么收购EnvisionTEC?根据3D科学谷的市场观察,EnvisionTEC是数字生物制造增材制造领域的先驱,其 Bioplotter 平台支持生产用于医疗应用的生物相容性部件,如骨再生、软骨再生、软组织制造、药物释放和器官打印,在3D科学谷看来,收购EnvisionTEC,除了Desktop Metal 与EnvisionTEC在替代铸造、陶瓷3D打印以及材料开发方面的相互借力,收购EnvisionTEC或许为Desktop Metal带来额外的好处是通过其Live Parts 软件无缝跨界到更宽的应用领域的一个有利桥梁。

Desktop Metal还收购了ExOne,Desktop Metal对 ExOne 的收购通过Exone多年BJT金属喷射3D打印经验补充了应用解决方案,从而扩展了 Desktop Metal 的产品平台,以创建结合了吞吐量、灵活性和材料广度的综合产品与服务组合,同时允许其客户根据其特定应用需求优化生产。

收购对Desktop Metal 的 Live Parts的软件将带来怎样的推广作用?值得期待!

block 软件赋能制造业附加值

根据3D科学谷的市场了解,创成式设计软件领域,还有更多的新兴的软件企业在出现,包括ParaMatters等。

Video_Cover_ParaMatters© ParaMatters

根据3D科学谷发起的调研,中国在3D打印硬件的研发投入上大约占32%,材料投入大约占17%,应用开发的研发投入占48%,软件方面的研发投入大约占0.4%。目前国内在3D打印领域的研发投入上升趋势明显,软件方面还待加大投入力度。

Landscape_Research_Valley_1中国增材制造研发投入比例 © 3D科学谷

//关于创成式软件的最新发展,欢迎在文后留言,您的见解与洞见将有机会收录于3D科学谷白皮书系列中。

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